月面人机联合采样探测发展趋势与任务设想

针对月球资源的探测与原位利用需求,概述了月球资源遥感探测、采样返回分析及原位采样探测技术现状和发展趋势。面向载人登月采样探测工程需求,围绕月面人机联合采样探测,提出了不同阶段表层样品采样探测、广域分布式原位探测、大尺度月壤剖面科学钻探等任务设想,为我国未来载人月球探测总体方案制定和航天员用智能设备的研制提供参考。

月壤水冰组构模拟及力学特性测试分析

针对月球遥感探测无法获知月壤水冰物理力学特性的定量信息,分析了月壤水冰采样探测与原位利用的技术难点,提出一种基于“相似性、等效性、均一性与覆盖性”的月壤水冰组构模拟方法,并在月面极区拟实温度环境下开展抗剪强度与泊松比测试,获得温度与含水率对月壤水冰力学特性的影响规律,得到了在特定条件下月壤水冰抗剪强度与泊松比的包络范围,可为月壤水冰原位探测与利用相关载荷的研发提供设计依据。

月壤临界尺度颗粒运移特性对钻采阻力影响研究

临界尺度颗粒是指平均直径大于或等于钻头取芯孔直径的月球土壤颗粒,其广泛分布于月球次表层土壤中。在钻进过程中受到钻削作用,一部分临界尺度颗粒被从孔底置出,并被嵌入钻孔壁产生孔壁置入现象,从而增大了切削负载功耗;另一部分跟随钻具回转无法被取芯孔采集,从而增加了钻进失败的风险。通过建立月壤临界尺度颗粒切削模型,考虑临界尺度颗粒粒径及其与切削刃相互作用位置,对切削阻力的影响进行敏感度分析,得到位置的变化对切削阻力影响最明显。提出法向重叠率的概念,用以研究位置变化对临界尺度颗粒运移特性及切削阻力的影响关系。将切削刃的回转运动等效为直线运动,采用离散元方法验证法向重叠率对切削阻力的影响,得到法向重叠率与临界尺度颗粒孔底置出和孔壁置入现象之间的关系,以及对应的切削阻力时域变化曲线的特征。通过临界尺度颗粒运移特性模拟试验,得到法向重叠率与切削阻力呈同方向的线性关系,当临界尺度颗粒分别产生孔底置出和孔壁置入现象时,对应的切削阻力时域曲线特征分别为连续峰值和仅有一个峰值点。研究可为月球采样任务中的钻进工况参数识别提供理论依据。

月球极区水冰采样探测技术综述

面向月球水冰科学探测需求,根据月球极区环境及水冰特性,总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术。根据水冰采样点选址预判需求,概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法;面向表层暴露水冰采样需求,阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术;根据次表层埋藏水冰采样需求,概括了星壤次表层潜入技术体系,介绍了集成传感、挥发分提取、星表取钻屑、钻头外取屑、钻头内取屑、取芯6类钻进采样技术。对中国实施月球水冰采样探测任务技术途径提出了建议。

月壤水冰模拟样本SHPB试验及反射波特性分析

高强度的月壤水冰组构通常采用高频冲击钻进、高速动能侵彻等方式实现原位探测,探测机具与月壤水冰组构之间存在复杂的动力学关系,探测机具在设计的过程中应充分考虑月壤水冰的动力学特性。提出一种利用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)实现超低温月壤水冰模拟样本的动力学特性测试的试验方法。利用SHPB试验系统,对–170℃极低温状态下3种不同含水率的月壤水冰模拟物开展了动态力学特性测试。通过分析试验结果,得到了不同应变率条件下月壤水冰模拟物的强度参数,总结出了月壤水冰模拟物应变率增强效应的规律;结合不同含水率样本SHPB试验的反射波频谱特性存在明显的差异的特性,提出一种基于钻具冲击反射波特性的月壤水冰含量辨识方法。可为月球水物质“探–采–用”探测器系统的研制工作提供有效参考。

月球极区冻土模拟月壤钻进试验研究

月球极区已经发现水资源存在的证据,极区水资源的探测、采集与利用技术日益成为世界各国研究的热点。冻土是月球极区水资源存在的重要形式,对极区冻土实施采样返回作业是未来深空探测的重要任务内容。为满足未来冻土采样任务需求,在中国首次开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究。基于探月三期模拟月壤制备基础,结合国内外极区冻土类月壤含水量探测与分析信息调研,进行不同含水量的冻土模拟月壤制备,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。通过试验得出结论,相较于高密实度的无水模拟月壤,冻土类月壤黏度更大,所需钻进力载更大,钻进过程排粉状态明显不同,需采用的钻进策略也有显著差别,样品形态因含水量不同呈现块状散体或柱状。试验获得了冻土模拟月壤钻进特性第一手资料,可支持后续冻土月壤采样技术深入研究。

月壤钻进取心过程钻具热特性研究

我国探月三期工程采用回转冲击钻对月表月壤进行预计深度为2米的采样作业,采样过程中钻头由于钻削产生的切削热完全由钻具本身导热传递。由于月球的超高真空度以及苛刻的温度环境,导热效率相较于地面钻探低。同时,由于钻进工况的未知性,钻具可能会形成局部高温区域,这会使钻具的整体性能降低,尤其对钻具的取心性能影响最大。通过EDEM软件,建立不同形状及颗粒大小的月壤颗粒微元模型,组成月壤仿真模型,基于高温小颗粒群法,开展钻进过程月壤热特性仿真研究,研究温升颗粒的分布规律,并根据这一分布规律建立温升颗粒数量与温升之间的关系式。另外,在模拟月壤钻进实验中,在原有的取芯钻具上补充若干温度测量点,通过光纤光栅传感技术,开展钻具热特性实验研究,获得了钻头不同位置区域的温升规律,以及回转转速、进给速率对钻具温度的影响规律。温升颗粒数量模型以及常规热特性实验均能实现钻具温升情况的预测,为后续钻具在拟实月球环境及恶劣工况下的热安全性研究提供依据。

基于灰色关联分析模拟月壤抗压强度性能试验

在月球南极永久阴影区内探测水冰物质是我国嫦娥七号的重要任务,为此在地球环境下开展模拟研究,制备极区含水模拟月壤测试样本,并对其月壤模拟物进行超低温条件下的力学特性测试,分析含水率、相对密实度、温度、加载速率及基材配比与抗压强度变化规律。结果明:冻结月壤模拟物的抗压强度随着含水率的增加而增大,随着密实度的增加而增大,随温度降低而增大,受加载速率变化的影响较小,受不同基材配比影响的抗压强度排序为:100%斜长岩<90%斜长岩+10%玄武岩<70%斜长岩+30%玄武岩<100%玄武岩月壤模拟物。最后,通过灰色关联分析探究月壤模拟物含水率、相对密实度、温度、加载速率、配比等基本物理性质指标与抗压强度的关联度,关联度排序为:含水率>密实度>温度>配比>加载速率。本文进行了含水月壤制备及力学特性测试,提出了更加系统规范的实施方案,作为极区含水月壤特性的研究基础,为后续月壤模拟研究提供了理论依据及参考。

基于支持向量机的模拟月壤临界尺度颗粒切削负载识别

针对平均直径略大于或者等于钻头取芯孔直径的临界尺度颗粒,在取芯钻进过程中会产生孔底置出及孔壁置入两种运移方式而导致钻进负载发生变化的问题。通过建立切削模型,得到在低速切削时,切削速度对切削力影响较小可以忽略,并进行了试验验证;对含有不同粒径的临界尺度颗粒进行切削试验,得到切削负载随时间变化曲线,利用支持向量机(SVM)方法对切削负载进行识别,结果显示对均质模拟月壤切削负载的识别率为100%,对含有临界尺度颗粒的模拟月壤切削负载识别率均在95.5%以上。研究结果可为月面无人钻取采样在线识别技术提供参考。